เมื่อพูดว่าทองแดงเป็นโลหะที่หนักกว่าอะลูมิเนียม พวกเขาเปรียบเทียบความหนาแน่นของพวกมัน ในทำนองเดียวกัน เมื่อกล่าวว่าทองแดงเป็นตัวนำที่ดีกว่าอะลูมิเนียม ค่าความต้านทาน (ρ) ของทองแดงก็จะถูกนำมาเปรียบเทียบกัน ซึ่งค่าไม่ได้ขึ้นอยู่กับขนาดหรือรูปร่างของตัวอย่างโดยเฉพาะ แต่จะอยู่ที่ตัววัสดุเองเท่านั้น
เหตุผลทางทฤษฎี
ความต้านทานคือการวัดความต้านทานการนำไฟฟ้าสำหรับวัสดุที่มีขนาดที่กำหนด ตรงกันข้ามคือการนำไฟฟ้า โลหะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ดี (ค่าการนำไฟฟ้าสูงและค่า ρ ต่ำ) ในขณะที่อโลหะเป็นตัวนำไฟฟ้าที่ไม่ดี (ค่าการนำไฟฟ้าต่ำและค่า ρ สูง)
ความต้านทานไฟฟ้าความร้อนที่คุ้นเคยมากขึ้นจะวัดว่าวัสดุนำไฟฟ้าได้ยากเพียงใด ขึ้นอยู่กับขนาดของชิ้นส่วน: ความต้านทานจะสูงขึ้นสำหรับชิ้นวัสดุที่ยาวขึ้นหรือแคบลง เพื่อขจัดผลกระทบขนาดจากความต้านทานความต้านทานของเส้นลวดที่ใช้ - นี่คือคุณสมบัติของวัสดุที่ไม่ขึ้นอยู่กับขนาด สำหรับวัสดุส่วนใหญ่ ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ ข้อยกเว้นคือเซมิคอนดักเตอร์ (เช่น ซิลิกอน) ซึ่งจะลดลงตามอุณหภูมิ
ความง่ายในการนำความร้อนของวัสดุนั้นวัดจากค่าการนำความร้อน ตามการประมาณการครั้งแรก ตัวนำไฟฟ้าที่ดีก็เป็นตัวนำความร้อนที่ดีเช่นกัน ความต้านทานแสดงด้วยสัญลักษณ์ r และหน่วยของมันคือโอห์มมิเตอร์ ความต้านทานของทองแดงบริสุทธิ์คือ 1.7×10 -8 โอห์ม นี่เป็นตัวเลขที่น้อยมาก - 0,000,000,017 โอห์ม ซึ่งบ่งชี้ว่าทองแดงหนึ่งลูกบาศก์เมตรแทบไม่มีความต้านทานเลย ยิ่งความต้านทานต่ำ (โอห์มมิเตอร์หรือ Ωm) ยิ่งใช้วัสดุในการเดินสายได้ดีขึ้น ความต้านทานเป็นอีกด้านของการนำ
การจำแนกประเภทของวัสดุ
ค่าความต้านทานของวัสดุมักใช้เพื่อจำแนกเป็นตัวนำ เซมิคอนดักเตอร์ หรือฉนวน องค์ประกอบที่เป็นของแข็งถูกจัดประเภทเป็นฉนวน เซมิคอนดักเตอร์ หรือตัวนำตาม "ความต้านทานแบบสถิต" ในตารางธาตุของธาตุ ความต้านทานในฉนวน เซมิคอนดักเตอร์ หรือวัสดุนำไฟฟ้าเป็นคุณสมบัติหลักที่นำมาพิจารณาสำหรับการใช้งานทางไฟฟ้า
ตารางแสดงข้อมูล ρ, σ และค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ สำหรับโลหะต้านทานเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้น สิ่งที่ตรงกันข้ามคือความจริงสำหรับเซมิคอนดักเตอร์และฉนวนหลายตัว
| วัสดุ | ρ (Ωm) ที่อุณหภูมิ 20°C | σ (S/m) ที่อุณหภูมิ 20°C | สัมประสิทธิ์อุณหภูมิ (1/°C) x10 ^ -3 |
| เงิน | 1, 59 × 10 -8 | 6, 30 × 10 7 | 3, 8 |
| ทองแดง |
1, 68 × 10 -8 |
5, 96 × 10 7 | 3, 9 |
| ทอง | 2, 44 × 10 -8 | 4, 10 × 10 7 | 3, 4 |
| อลูมิเนียม | 2, 82 × 10 -8 | 3, 5 × 10 7 | 3, 9 |
| ทังสเตน | 5, 60 × 10 -8 | 1, 79 × 10 7 | 4.5 |
| สังกะสี | 5, 90 × 10 -8 | 1, 69 × 10 7 | 3, 7 |
| นิกเกิล | 6, 99 × 10 -8 | 1, 43 × 10 7 | 6 |
| ลิเธียม | 9, 28 × 10 -8 | 1.08 × 10 7 | 6 |
| เหล็ก | 1, 0 × 10 -7 | 1, 00 × 10 7 | 5 |
| แพลตตินั่ม | 1, 06 × 10 -7 | 9, 43 × 10 6 | 3, 9 |
| ตะกั่ว | 2, 2 × 10 -7 | 4, 55 × 10 6 | 3, 9 |
| คอนสแตนตัน |
4, 9 × 10 -7 |
2.04 × 10 6 | 0, 008 |
| ปรอท | 9, 8 × 10 -7 | 1, 02 × 10 6 | 0.9 |
| นิโครม | 1.10 × 10 -6 | 9, 09 × 10 5 | 0, 4 |
| คาร์บอน (อสัณฐาน) | 5 × 10 -4 ถึง 8 × 10 -4 | 1, 25-2 × 10 3 | -0, 5 |
การคำนวณความต้านทาน
สำหรับอุณหภูมิที่กำหนด เราสามารถคำนวณความต้านทานไฟฟ้าของวัตถุในหน่วยโอห์มได้โดยใช้สูตรต่อไปนี้
ในสูตรนี้:
- R - ความต้านทานวัตถุ ในหน่วยโอห์ม;
- ρ - ความต้านทาน (เฉพาะ) ของวัสดุที่ใช้ทำวัตถุ
- L - ความยาววัตถุเป็นเมตร;
- ตัดขวางส่วนของวัตถุ หน่วยเป็นตารางเมตร
ความต้านทานเท่ากับจำนวนโอห์มมิเตอร์ที่กำหนด แม้ว่าหน่วย SI ของ ρ มักจะเป็นโอห์มมิเตอร์ แต่บางครั้งหน่วยก็เป็นโอห์มต่อเซนติเมตร
ความต้านทานของวัสดุถูกกำหนดโดยขนาดของสนามไฟฟ้าที่ขวาง ซึ่งจะทำให้ความหนาแน่นกระแสที่แน่นอน
ρ=E/ J โดยที่:
- ρ - เป็นโอห์มมิเตอร์;
- E - ขนาดของสนามไฟฟ้าในหน่วยโวลต์ต่อเมตร
- J - ค่าความหนาแน่นกระแสเป็นแอมแปร์ต่อตารางเมตร
จะตรวจสอบความต้านทานได้อย่างไร? ตัวต้านทานและตัวนำจำนวนมากมีส่วนหน้าตัดสม่ำเสมอและมีกระแสไฟฟ้าไหลสม่ำเสมอ ดังนั้นจึงมีสมการเฉพาะเจาะจงมากขึ้นแต่ใช้กันอย่างแพร่หลาย
ρ=RA/ J โดยที่:
- R - ความต้านทานของตัวอย่างวัสดุที่เป็นเนื้อเดียวกัน วัดเป็นโอห์ม
- l - ความยาวของชิ้นงาน วัดเป็นเมตร m;
- A - พื้นที่หน้าตัดของตัวอย่าง วัดเป็นตารางเมตร m2.
พื้นฐานของความต้านทานของวัสดุ
ความต้านทานไฟฟ้าของวัสดุเรียกอีกอย่างว่าความต้านทานไฟฟ้า นี่คือการวัดว่าวัสดุต้านทานการไหลของกระแสไฟฟ้าได้มากเพียงใด สามารถกำหนดได้โดยการหารความต้านทานต่อหน่วยความยาวและต่อหน่วยพื้นที่หน้าตัดของวัสดุเฉพาะที่อุณหภูมิที่กำหนด
นี่หมายความว่า ρ ต่ำแสดงว่าวัสดุที่อนุญาตได้ง่ายย้ายอิเล็กตรอน ในทางกลับกัน วัสดุที่มี ρ สูงจะมีความต้านทานสูงและขัดขวางการไหลของอิเล็กตรอน ธาตุต่างๆ เช่น ทองแดงและอะลูมิเนียม ขึ้นชื่อเรื่องระดับ ρ ต่ำ โดยเฉพาะเงินและทองมีค่า ρ ต่ำมาก แต่การใช้งานนั้นถูกจำกัดด้วยเหตุผลที่ชัดเจน
บริเวณแนวต้าน
วัสดุถูกจัดวางในหมวดหมู่ต่างๆ ขึ้นอยู่กับค่า ρ ของวัสดุนั้นๆ สรุปแสดงในตารางด้านล่าง
ระดับการนำไฟฟ้าของเซมิคอนดักเตอร์ขึ้นอยู่กับระดับของยาสลบ หากไม่มียาสลบจะดูเหมือนฉนวนซึ่งเหมือนกันสำหรับอิเล็กโทรไลต์ ระดับ ρ ของวัสดุแตกต่างกันอย่างมาก
| หมวดหมู่อุปกรณ์และประเภทวัสดุ | พื้นที่ต้านทานของวัสดุที่พบบ่อยที่สุดขึ้นอยู่กับ ρ |
| อิเล็กโทรไลต์ | ตัวแปร |
| ฉนวน | ~ 10 ^ 16 |
| โลหะ | ~ 10 ^ -8 |
| เซมิคอนดักเตอร์ | ตัวแปร |
| ตัวนำยิ่งยวด | 0 |
สัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทาน
ในกรณีส่วนใหญ่ ความต้านทานจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิ เป็นผลให้มีความจำเป็นต้องเข้าใจอุณหภูมิขึ้นอยู่กับความต้านทาน เหตุผลสำหรับค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานในตัวนำสามารถพิสูจน์ได้อย่างสังหรณ์ใจ ความต้านทานของวัสดุขึ้นอยู่กับปรากฏการณ์หลายประการ หนึ่งในนั้นคือจำนวนการชนที่เกิดขึ้นระหว่างตัวพาประจุและอะตอมในวัสดุ ความต้านทานของตัวนำจะเพิ่มขึ้นตามอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น เมื่อจำนวนการชนกันเพิ่มขึ้น
สิ่งนี้อาจไม่เป็นอย่างนั้นเสมอไป และเนื่องมาจากความจริงที่ว่ามีการปล่อยประจุเพิ่มเติมพร้อมกับอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น ซึ่งจะทำให้ความต้านทานของวัสดุลดลง ผลกระทบนี้มักพบเห็นได้ในวัสดุเซมิคอนดักเตอร์
เมื่อพิจารณาการพึ่งพาอุณหภูมิของความต้านทาน โดยทั่วไปถือว่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานตามกฎเชิงเส้น สิ่งนี้ใช้กับอุณหภูมิห้องและสำหรับโลหะและวัสดุอื่น ๆ อีกมากมาย อย่างไรก็ตาม พบว่าเอฟเฟกต์แรงต้านที่เกิดจากจำนวนการชนนั้นไม่คงที่เสมอไป โดยเฉพาะที่อุณหภูมิต่ำมาก (ปรากฏการณ์ตัวนำยิ่งยวด)
กราฟอุณหภูมิแนวต้าน
ความต้านทานของตัวนำที่อุณหภูมิที่กำหนดสามารถคำนวณได้จากค่าอุณหภูมิและค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทาน
R=Rref(1+ α (T- Tref)) โดยที่:
- R - แนวต้าน
- Rref - ความต้านทานที่อุณหภูมิอ้างอิง
- α- สัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานวัสดุ
- Tref คืออุณหภูมิอ้างอิงที่ระบุค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิ
ค่าสัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทาน ปกติจะตั้งอุณหภูมิไว้ที่ 20 °Cดังนั้น สมการที่ใช้กันทั่วไปในทางปฏิบัติคือ:
R=R20(1+ α20 (T- T20)) โดยที่:
- R20=แนวต้านที่ 20°C;
- α20 - สัมประสิทธิ์อุณหภูมิของความต้านทานที่ 20 °C;
- T20- อุณหภูมิเท่ากับ 20 °C.
ความต้านทานของวัสดุที่อุณหภูมิห้อง
ตารางความต้านทานด้านล่างประกอบด้วยสารหลายชนิดที่ใช้กันทั่วไปในงานวิศวกรรมไฟฟ้า รวมทั้งทองแดง อะลูมิเนียม ทอง และเงิน คุณสมบัติเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่ง เนื่องจากเป็นตัวกำหนดว่าสารสามารถใช้ได้กับอุปกรณ์ไฟฟ้าและอิเล็กทรอนิกส์หลากหลายประเภทหรือไม่ ตั้งแต่สายไฟไปจนถึงอุปกรณ์ที่ซับซ้อนมากขึ้น เช่น ตัวต้านทาน โพเทนชิโอมิเตอร์ และอื่นๆ
| ตารางความต้านทานของวัสดุต่าง ๆ ที่อุณหภูมิภายนอก 20°C | |
| วัสดุ | ต้านทาน OM ที่ 20°C |
| อลูมิเนียม | 2, 8 x 10 -8 |
| พลวง | 3, 9 × 10 -7 |
| บิสมัท | 1, 3 x 10 -6 |
| ทองเหลือง | ~ 0.6 - 0.9 × 10 -7 |
| แคดเมียม | 6 x 10 -8 |
| โคบอลต์ | 5, 6 × 10 -8 |
| ทองแดง | 1, 7 × 10 -8 |
| ทอง | 2, 4 x 10 -8 |
| คาร์บอน (กราไฟท์) | 1 x 10 -5 |
| เจอร์เมเนียม | 4.6 x 10 -1 |
| เหล็ก | 1.0 x 10 -7 |
| ตะกั่ว | 1, 9 × 10 -7 |
| นิโครม | 1, 1 × 10 -6 |
| นิกเกิล | 7 x 10 -8 |
| แพลเลเดียม | 1.0 x 10 -7 |
| แพลตตินั่ม | 0, 98 × 10 -7 |
| ควอตซ์ | 7 x 10 17 |
| ซิลิคอน | 6, 4 × 10 2 |
| เงิน | 1, 6 × 10 -8 |
| แทนทาลัม | 1, 3 x 10 -7 |
| ทังสเตน | 4, 9 x 10 -8 |
| สังกะสี | 5, 5 x 10 -8 |
การเปรียบเทียบค่าการนำไฟฟ้าของทองแดงและอะลูมิเนียม
ตัวนำไฟฟ้าประกอบด้วยวัสดุที่นำไฟฟ้า โลหะที่ไม่ใช่แม่เหล็กโดยทั่วไปถือว่าเป็นตัวนำไฟฟ้าในอุดมคติ ตัวนำโลหะหลายชนิดใช้ในอุตสาหกรรมลวดและสายเคเบิล แต่ทองแดงและอลูมิเนียมเป็นส่วนใหญ่ ตัวนำมีคุณสมบัติที่แตกต่างกัน เช่น การนำไฟฟ้า ความต้านทานแรงดึง น้ำหนัก และผลกระทบต่อสิ่งแวดล้อม
ความต้านทานของตัวนำทองแดงมักใช้ในการผลิตสายเคเบิลมากกว่าอะลูมิเนียม สายเคเบิลอิเล็กทรอนิกส์เกือบทั้งหมดทำมาจากทองแดง เช่นเดียวกับอุปกรณ์และอุปกรณ์อื่นๆ ที่ใช้ค่าการนำไฟฟ้าสูงของทองแดง ตัวนำทองแดงยังใช้กันอย่างแพร่หลายในระบบจำหน่ายและผลิตไฟฟ้า อุตสาหกรรมยานยนต์ เพื่อประหยัดน้ำหนักและต้นทุน บริษัทส่งกำลังใช้อะลูมิเนียมในสายไฟเหนือศีรษะ
อลูมิเนียมถูกใช้ในอุตสาหกรรมที่มีน้ำหนักเบาเป็นสำคัญ เช่น การก่อสร้างเครื่องบิน และคาดว่าจะมีการใช้งานในอุตสาหกรรมยานยนต์เพิ่มขึ้นในอนาคต สำหรับสายไฟที่สูงกว่านั้น ลวดอะลูมิเนียมหุ้มทองแดงถูกใช้เพื่อใช้ประโยชน์จากความต้านทานของทองแดง ทำให้น้ำหนักโครงสร้างลดลงอย่างมากจากอะลูมิเนียมน้ำหนักเบา
ตัวนำทองแดง
ทองแดงเป็นหนึ่งในวัสดุที่เก่าแก่ที่สุดที่รู้จัก นักทดลองไฟฟ้าในยุคแรกๆ เช่น Ben Franklin และ Michael Faraday ใช้ประโยชน์จากความอ่อนตัวและการนำไฟฟ้า วัสดุทองแดง ρ ต่ำทำให้ได้รับการยอมรับว่าเป็นตัวนำหลักที่ใช้ในการประดิษฐ์ เช่น เครื่องโทรเลข โทรศัพท์ และมอเตอร์ไฟฟ้า ทองแดงเป็นโลหะนำไฟฟ้าที่พบบ่อยที่สุด ในปี ค.ศ. 1913 มาตรฐานสากลสำหรับการจุดไฟของทองแดง (IACS) ถูกนำมาใช้เพื่อเปรียบเทียบค่าการนำไฟฟ้าของโลหะอื่นๆ กับทองแดง
ตามมาตรฐานนี้ ทองแดงอบอ่อนบริสุทธิ์ในเชิงพาณิชย์มีค่าการนำไฟฟ้า IACS 100% ความต้านทานของวัสดุเทียบกับมาตรฐาน ทองแดงบริสุทธิ์ในเชิงพาณิชย์ที่ผลิตในปัจจุบันอาจมีค่า IACS สูงกว่า เนื่องจากเทคโนโลยีการประมวลผลมีความก้าวหน้าอย่างมากเมื่อเวลาผ่านไป นอกจากค่าการนำไฟฟ้าที่ดีเยี่ยมของทองแดงแล้ว โลหะยังมีความต้านทานแรงดึง การนำความร้อน และการขยายตัวทางความร้อนสูงลวดทองแดงอบอ่อนที่ใช้สำหรับวัตถุประสงค์ทางไฟฟ้าเป็นไปตามข้อกำหนดของมาตรฐานทั้งหมด
ตัวนำอะลูมิเนียม
แม้ว่าทองแดงจะมีประวัติศาสตร์มาอย่างยาวนานในฐานะวัสดุในการผลิตกระแสไฟฟ้า แต่อะลูมิเนียมก็มีข้อดีบางประการที่ทำให้น่าสนใจสำหรับการใช้งานเฉพาะ และสภาพต้านทานในปัจจุบันทำให้ใช้งานได้หลายครั้ง อลูมิเนียมมีค่าการนำไฟฟ้า 61% ของทองแดงและมีเพียง 30% ของน้ำหนักของทองแดง ซึ่งหมายความว่าลวดอลูมิเนียมมีน้ำหนักเพียงครึ่งเดียวของลวดทองแดงที่มีความต้านทานไฟฟ้าเท่ากัน
อลูมิเนียมมีราคาถูกกว่าเมื่อเทียบกับแกนทองแดง ตัวนำอะลูมิเนียมประกอบด้วยโลหะผสมหลายชนิด โดยมีปริมาณอะลูมิเนียมขั้นต่ำ 99.5% ในปี 1960 และ 1970 เนื่องจากทองแดงมีราคาสูง อลูมิเนียมเกรดนี้จึงถูกนำมาใช้กันอย่างแพร่หลายสำหรับการเดินสายไฟฟ้าในครัวเรือน
เนื่องจากฝีมือไม่ดีในการเชื่อมต่อและความแตกต่างทางกายภาพระหว่างอลูมิเนียมและทองแดง อุปกรณ์และสายไฟที่ทำบนพื้นฐานของการเชื่อมต่อจึงเป็นอันตรายจากไฟไหม้ที่หน้าสัมผัสทองแดงอลูมิเนียม เพื่อต่อต้านกระบวนการเชิงลบ อะลูมิเนียมอัลลอยด์ได้รับการพัฒนาโดยมีคุณสมบัติการคืบและการยืดตัวที่คล้ายกับทองแดงมากขึ้น โลหะผสมเหล่านี้ใช้ในการผลิตลวดอลูมิเนียมตีเกลียว ซึ่งความต้านทานปัจจุบันเป็นที่ยอมรับสำหรับการใช้งานจำนวนมาก และเป็นไปตามข้อกำหนดด้านความปลอดภัยสำหรับเครือข่ายไฟฟ้า
ถ้าใช้อะลูมิเนียมในสถานที่ที่เคยใช้ทองแดงมาก่อนเพื่อให้เครือข่ายเท่ากัน คุณต้องใช้ลวดอลูมิเนียมสองเท่าของขนาดลวดทองแดง
การนำไฟฟ้าของวัสดุ
วัสดุหลายชนิดที่พบในตารางความต้านทานนั้นถูกใช้อย่างแพร่หลายในอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ อลูมิเนียมและทองแดงโดยเฉพาะถูกนำมาใช้เนื่องจากมีความต้านทานต่ำ สายไฟและสายเคเบิลส่วนใหญ่ที่ใช้ในปัจจุบันสำหรับการเชื่อมต่อทางไฟฟ้าทำจากทองแดง เนื่องจากมีระดับ ρ ต่ำ และมีราคาไม่แพง การนำทองคำที่ดีแม้จะมีราคาก็ถูกนำมาใช้ในเครื่องมือที่แม่นยำมากเช่นกัน
การชุบทองมักจะพบในการเชื่อมต่อไฟฟ้าแรงต่ำคุณภาพสูง โดยมีเป้าหมายเพื่อให้มีความต้านทานการสัมผัสต่ำที่สุด เงินไม่ได้ใช้กันอย่างแพร่หลายในงานวิศวกรรมไฟฟ้าอุตสาหกรรม เนื่องจากออกซิไดซ์ได้อย่างรวดเร็ว และทำให้เกิดความต้านทานการสัมผัสสูง ในบางกรณี ออกไซด์สามารถทำหน้าที่เป็นตัวเรียงกระแส ความต้านทานแทนทาลัมใช้ในตัวเก็บประจุ นิกเกิล และแพลเลเดียมในการเชื่อมต่อขั้นปลายสำหรับส่วนประกอบยึดพื้นผิวจำนวนมาก ควอตซ์พบว่าการใช้งานหลักเป็นองค์ประกอบเรโซแนนซ์เพียโซอิเล็กทริก คริสตัลควอตซ์ถูกใช้เป็นองค์ประกอบความถี่ในออสซิลเลเตอร์จำนวนมาก โดยมีค่าสูงทำให้สามารถสร้างวงจรความถี่ที่เชื่อถือได้
